JP2017217577A - 撹拌装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明の実施例1に係る撹拌装置として掻取押し付け式の加熱撹拌釜を示し一部を断面にした正面図である。
本明細書では、記述の都合上、以下のように、樹脂材料名を、略称を用いて表記する。
PTFE:テフロン(登録商標)(ポリテトラフロロエチレン単成分)
PBN :ポリブチレンナフタレート樹脂
S300:スミカスーパーS300(登録商標)(芳香族ポリエステルとPTFEのブレンド樹脂)
PPS :テクトロンHPV(登録商標)(ポリフェニレンサルファイト樹脂)
SUSTAPEEK:SUSTAPEEKGLD140FG(登録商標)(PEEK(ポリエチルエーテルエーテルケトン)とPTFEのブレンド品)
なお、後ろ側の括弧は、前側の登録商標と同格の物質を示す。他の項における材質の表記も同様である。
図2は、撹拌部の要部を示す断面図である。
即ち、樹脂磨耗滓の大きさが大きい場合、移着粒子(樹脂磨耗物質)が大きく、取り込まれた金属磨耗滓量が増大し、掻取羽根の摩擦面に埋め込まれる金属磨耗滓の量が増大するので、摩擦金属面の磨耗が進行する。
・樹脂磨耗滓の大きさ
PTFE>S300>>PBN、PPS、SUSTAPEEK
・金属磨耗滓量
PTFE>S300>>PBN、PPS>SUSTAPEEK
発明者等は実施例の加熱釜3を用い、内容積300Lとして羽根部23に関する比較試験を行った。
比較試験方法は、加熱撹拌機(KH−3)に3番羽根のみをセットし、市水150kg投入、撹拌18r/mn(正転)、製品温調90℃で蒸気加熱を継続し、5時間で終了した。
結果は、図4〜図10の通りとなった。図4は、磨耗滓の発生状況の結果を総合的に示す図表である。図5(A)は、PTFE製の掻取羽根の磨耗滓の低倍率の写真、(B)は、同高倍率の写真、(C)は、PTFE製の掻取羽根の接触面の低倍率の写真、(D)は、同高倍率の写真である。図6(A)は、全芳香族ポリエステル製の掻取羽根の磨耗滓の低倍率の写真、(B)は、同高倍率の写真、(C)は、全芳香族ポリエステル製の掻取羽根の接触面の低倍率の写真、(D)は、同高倍率の写真、(E)は、全芳香族ポリエステル製の掻取羽根の磨耗滓を濾紙で採集した低倍率の写真、(F)は、同高倍率の写真である。図7(A)は、PBN製の掻取羽根の接触面の低倍率の写真、(B)は、同高倍率の写真、(C)は、PBN製の掻取羽根の磨耗滓を濾紙で採集した低倍率の写真、(D)は、同高倍率の写真である。図8(A)は、PPS製の掻取羽根の接触面の低倍率の写真、(B)は、同高倍率の写真、(C)は、PPS製の掻取羽根の磨耗滓を濾紙で採集した低倍率の写真、(D)は、同高倍率の写真である。図9(A)は、SUSTAPEEK製の掻取羽根の羽接触面(羽根面)の低倍率の写真、(B)は、同高倍率の写真、(C)は、SUSTAPEEK製の掻取羽根の磨耗滓を濾紙で採集した低倍率の写真、(D)は、同高倍率の写真である。図10は、PTFE製の掻取羽根の場合の磨耗滓を捕集した濾紙の写真である。
(フッ素樹脂羽根)
フッ素樹脂製の掻取羽根は、加熱釜との接触面に金属磨耗滓が付着し、黒く汚れて、羽根先端がめくれ上がっていた。樹脂の膜状の磨耗滓が消しゴム屑状に絡み合って大粒子を形成していた。加熱釜の内表面の磨耗痕も時間と共に増大した。
発生した摩耗滓は非常に微細で量、大きさ共にフッ素樹脂をはるかに下回った。羽根先端がめくれる傾向も見受けられなかった。加熱釜の内表面の磨耗痕は殆どなく、目視の判定は困難であった。
羽根は、接触面に少量の金属磨耗滓が付着し、樹脂の磨耗滓は量的には多くないが、膜状で消しゴム屑状に絡み合ってフッ素樹脂の場合と類似し、フッ素樹脂よりも一回り小さい、中粒子を形成していた。加熱釜の内表面にも若干の傷が生じていた。
(A)PTFEの場合、白い樹脂に金属磨耗滓が食い込んでいるのが見える。
(B)PBNでは樹脂のみでステンレス粉は見えない
(C)PPSでは極少量であるが、ステンレス粉が樹脂に食い込んでいるのが見える。
(D)SUSTAPEEKでは樹脂表面に白い傷状の磨耗痕があるが、ステンレス粉は見えない。
(E)S300では磨耗物がフイルム状に付着し、筋上にステンレス粉が食い込んでいるのが見える。
ここで、以上より、再度PTFE製の羽根部の問題点を挙げる。
1)磨耗滓が発生する。水を攪拌すると磨耗滓が水面に浮いてくる。
2)加熱釜3の内表面3aに傷が付く。特に、何も入れない時、或いは水を入れて加熱釜3を掻き取ると内表面3aに傷が急速に付く。
3)使用中、PTFE製掻取羽根の掻取面に金属屑が食い込み、更に使用を続けると、食い込んだ金属屑と内表面3aの金属同士が接触し、壁面の傷が更に深くなった。
4)PTFEの磨耗滓は数mmの大粒子が多く発生し、磨耗して発生した金属磨耗滓を含有していた。
ステンレスの加熱釜3の内表面3aへの傷のつけ具合はPBN製、PPS製、PEEK製ともごく少なく殆どなく、PTFE製からの改善は非常に大きかった。S300製は、加熱釜の内表面に傷が少量発生したが、PTFE製からの改善はかなりあった。
(樹脂磨耗滓)
金属磨耗が少ない樹脂製掻取羽根の磨耗機構を検討するため、PBN製羽根を用い、大規模磨耗試験を行い、磨耗滓を回収し磨耗滓の形状を調査した。
金属壁を掻取りした時、金属に傷をつけ難い樹脂を試行錯誤の結果見出す事ができたが、どのような樹脂が問題を解決できるか、考察する。
磨耗理論によると、2材料間の滑りで磨耗が発生するメカニズムは、4種類がある。
図18(A)のように、ミクロに見た場合、面は平坦ではなく凹凸があり、接触点は極一部である。
金属などは単結晶から構成されているが、摩耗が2固体間で起き摩耗粉となる金属では摩耗素子(15ナノメートル前後から50ナノメートル前後)の素となる粒子が起因して大きな摩耗粉を作り上げていると考えられている。これを摩耗素子と呼んでいる。粉砕法では製造出来ない大きさで、原子や分子やクラスターなどからビルトアップ法で作られるサイズと考えられている。
図18(B)のように、すべりあう物体の表面に凸凹があり、界面で凸凹がかみ合って抵抗し、摩擦・摩耗粉を生じる。これを「掘り起こし(plowing)摩耗」と呼ぶ。アブレシブ摩耗係数=kabrで表される。掘り起こし方は2つ考えられる。
a.硬い物が柔らかい物を削る。
b.すべり面に硬い物がはさまれ、片方の面に埋め込まれて、反対側の面を削る。
図18(C)のように、垂直荷重と摩擦力がくり返し作用することによる疲労によって摩耗が起こる。通常は金属表面層にクラックを生じ、それが内部に進行し、クラックから金属粒子が摩耗粒子と言うかたちで 切り離されることをさす。一般的に「金属疲労」と呼ばれるものの微視的な状態を指すこともできる。
摩擦する固体表面での化学反応に環境が影響を及ぼし、摩耗を早めたり、押さえたりする。
基本的には、表面凸部が熱的、機械的に活性化されると、異なる表面層の形成が起こる場合がある。表面層は一般的に脆性破壊し易くなると言える。
大きな摩耗粉が生じるのは,摩擦面の間で摩耗粉のもとが次第に成長していくからである。文献(トライポロジスト、52、10(2007)735)によると、電子顕微鏡で摩擦過程を観察すると、摩耗粉のもと(移着粒子)が、摩擦界面に蓄えられ、かかっている剪断力に耐えられなくなると、移着粒子は界面からもぎとられ大きな摩耗粉として摩擦面外に出る。発生した小さい粒子が大きくなってから系外に出ていくことは消しゴム滓生成過程の観察でも確認されている。
ステンレスの内表面3aの磨耗は、ざらつき磨耗、疲労磨耗である。初期は疲労磨耗のみである。
掻取の目的は付着物を内表面3aから引き離すのが目的であり、付着物に対し鋭角に羽根部23を当て、付着物と内表面3aとの間に羽根部23を入れ込む動きをさせる。
あん煉り、食品加工に実際に使用し、掻取による焦げ付き防止効果を比較したが、PTFE製と同等の防止効果であった。
先に説明したように、大きな滓が生成する場合は磨耗界面(即ち樹脂表面)に多量の磨耗物質が蓄積されて、粒子が大きくなってから樹脂表面から離れて行く。
PBN、PPS、SUSTAPEEKは、旧厚生省の食品容器の基準(昭和34年厚生省告示第370号)は何れも満たしている。更に、既存物質、MSDS等の既存情報ではPBN、PPS、SUSTAPEEKに問題はない。
清潔感から白色が望ましいとされている。PBN製は白で最適、PPS製は青であるが、磨耗滓が混入した場合、目視判別できるので好ましい場合がある。
なお、本実施例の加熱撹拌釜1は、材料として食材の加熱撹拌処理を行なう撹拌装置として構成したが、医薬、漢方薬等の経口物質、塗り薬、医薬品、化粧品等を加熱、非加熱に係わらず撹拌処理する撹拌装置として構成することもできる。
3 加熱釜(撹拌容器)
3a 内表面
23 羽根部(掻取子)
23a 縁部
Claims (5)
- 材料を投入して撹拌処理するための金属製の撹拌容器と、
前記撹拌容器の内周面に縁部が接して掻き取りながら摺動する樹脂製の掻取子と、を備えた撹拌装置であって、
前記掻取子は、前記撹拌容器の内周面に摺動して発生するときの樹脂の磨耗滓の大きさが前記樹脂をフッ素樹脂単成分としたときよりも小さくなる樹脂で形成され、前記金属製の撹拌容器の内周面の傷付きによる金属滓の発生を抑制した、
ことを特徴とする撹拌装置。 - 請求項1記載の撹拌装置であって、
前記攪拌容器は、ステンレス製であり、
前記耐摩耗性樹脂は、ポリブチルナフタレート(PBN)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(SUSTAPEEK)の何れかである、
ことを特徴とする撹拌装置。 - 請求項1記載の撹拌装置であって、
前記攪拌容器は、ステンレス製であり、
前記耐摩耗性樹脂は、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)とフッ素樹脂(PTFE)の複合材である、
ことを特徴とする撹拌装置。 - 請求項1又は2記載の撹拌装置であって、
前記樹脂の磨耗滓の粒子の大きさは、平均粒子径が0.1mmを下回る、
ことを特徴とする撹拌装置。 - 請求項1〜4の何れか1項に記載の撹拌装置に用いる掻取子であって、
前記撹拌容器の内周面に摺動して発生するときの樹脂の磨耗滓の大きさが前記樹脂をフッ素樹脂としたときよりも小さくなる樹脂で形成された、
ことを特徴とする掻取子。
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